石油化工裝置中本質安全設計淺析

施建設

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

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石油化工裝置中本質安全設計淺析

施建設

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

針對石油化工裝置的安全性,介紹了本質安全的要求、基本概念、風險評估及可接受風險等的安全評估原則，描述了在石油化工裝置中幾種本質安全的設計實現方法，從工藝流程設計和自控設計過程中安全功能的實現，設計過程中可采用的物理防護手段，接地系統的實現，關鍵閥門開啟壓力的確定等均是本質安全必須考慮的內容。說明了石油化工本質安全貫穿著設計的每個階段、每個方面，實現本質安全要從源頭抓起。

本質安全設計風險安全儀表功能安全等級接地物理保護

在石油化工生產裝置中，安全運行已經成為貫徹裝置全生命周期的必然追求。在流程工業中保障安全常用的措施有增加安全設備、增加操作人員及巡檢頻率等。此類措施雖然在一定條件下有利于降低風險，但是增加安全設備必然會導致流程變得復雜和對安全系統要求的提高；增加操作人員及巡檢頻率將加大操作人員的工作強度及心里壓力，這與企業追求利潤的基本目標相悖。由于無法避免元器件的失效性和人為的操作失誤，潛在的風險會一直伴隨著生產裝置。為了降低過程風險，對過程進行本質安全設計顯得尤為緊迫。

1　本質安全的概念

本質安全是預先分析工藝、設備可能潛在的危險，基于事物自身特性、規律, 通過消除或減少工藝、設備中存在的危險物質或危險操作的數量進而避免危險。實現本質安全是以系統中物質的物理、化學基本性質，工藝安全操作以及與工藝自身密切聯系的有關特性為基礎的內在固有的安全性。

然而，在實際情況中，絕對安全的情況是不存在的。安全與風險相對，風險是指發生危害事件的可能性和危害程度。通常來說，風險越大安全性越小，風險越小安全性越大；當風險降低到普遍可以接受的程度時，則可以認為是安全的。

對于風險的評價，根據標準IEC 61508[1]，通常采用的是ALARP(as low as reasonably practicable)原則[1-2]。典型的如英國勞工部規定，當個體接受的風險小于10-6次/a時，可認為是個體處在無風險狀態；當個體接受的風險大于10-3次/a時，可認為是不可接受的風險狀態；而處在10-6～10-3次/a的可認為是在ALARP區域。安全區域的標準通常在ALARP區域內確定。ALARP應根據各個國家、各個地區的實際生產水平，結合當地的環境政策、人口規模、人文習慣、經濟發展水平等相關因素后綜合考慮確定。

在確定風險的評價標準后，就可以在項目的安全分析過程中進行定性、半定量或定量的分析，以確保整個裝置盡量達到本質安全的要求。

2　本質安全設計

本質安全的概念和要求應在項目初始階段就建立，并應在項目設計過程中貫徹實施，而整個裝置的管理規范、人員培訓等均屬于本質安全的范圍。對于流程工業而言，工藝設計是裝置本質安全設計的核心部分，控制、保護系統的設計，物理保護層措施的建立等在設計階段應按照本質安全的要求進行。

在設計過程中，對本質安全的貫徹體現在流程的方方面面，從物流的選擇、反應參數的確定、現場設備的布置、管道的選用、儀表的安裝等均應仔細考慮，慎重選擇，以達到最大程度的本質安全要求。對于過程控制而言，可以從閥門故障位置的確定、物理防護、接地、閥門執行機構作用力的選取等多方面進行考慮，以實現本質安全的目標。

2.1閥門故障位置的確定

閥門故障位置指的是閥門在失去外部動力源(氣源)時閥門應該到達的位置，閥門故障位置的確定一方面要根據流程操作的要求進行確定，另一方面還需要分析潛在的各種風險及可能性，在考慮所有風險并排除后才能確定，以求達到本質安全的目的。閥門故障位置的確定方式見反應器流程(圖1)所示。

圖1　反應器流程示意

2.1.1工藝操作要求

圖1中，R-101為反應器，物料1進入反應器在一定壓力溫度下進行反應；物料2是在某些極端情況下加入反應器的終止劑。XV-1101，XV-1102用于切斷進入反應器的物料1；XV-1103用于在XV-1101，XV-1102關閉后將2個閥門之間的微量物料放空。此流程中的安全聯鎖UZ001，要求在反應器內壓力(PT1101)、溫度(TT1101)等超過聯鎖設定值時將同時關閉XV-1101，XV-1102，停止向反應器內加入物料而使反應結束以避免產生危險。另外，儀表空氣壓力低于設定值時閥門到達其故障位置。

2.1.2安全完整性等級(SIL)的“分解”及閥門故障位置的確定

針對圖1中XV-1103的故障位置(FO或是FC)選擇，在不同的設計階段曾經有著不同的選擇。在20世紀90年代，其分析往往以定性為主，對于XV-1103的故障位置選型以FO為主，其主流意識是在聯鎖動作發生后物料1與反應器的完全隔離是通過在XV-1101，XV-1102同時關閉后打開XV-1103的方式實現。而在實際操作過程中，也發生過反應器超壓或超溫的情況，均通過聯鎖保護達到了停車的目的。

2000年以來，隨著風險的安全評估理念引入，分析方法從定性分析逐漸向定量分析轉變，對于XV-1103閥的故障位置選擇有了本質的改變，開始選用以FC為主的切斷閥了，分析如下：

1) 安全等級的確定。根據工藝安全分析，聯鎖UZ001切斷物料1進入反應器需要的安全等級為SIL3，是通過切斷閥門XV-1101， XV-1102采用“1oo2”方式來實現，閥門平均故障率要求PFDavg≤6×10-4。仔細分析該流程，還隱含著另外兩種安全要求： 確保物料1不能通過XV-1101， XV-1103放空；反應器不能通過XV-1102， XV-1103放空。在實現UZ001的安全功能時，上述隱含的安全要求也必須同時滿足。所以，必須對原聯鎖UZ001進行“分解”，將 UZ001“分解”為3個關聯的“子”聯鎖并重新確定其安全要求：

a) UZ001A(XV-1101， XV-1102關閉，“1oo2”方式)其聯鎖動作用于切斷物料1和反應器，要求的回路安全等級是SIL3，閥門平均故障率要求PFDavg≤6×10-4。

b) UZ001B(XV-1101， XV-1103關閉，“1oo2”方式)其聯鎖動作用于切斷物料1和大氣，要求的回路安全等級是SIL2，閥門平均故障率要求PFDavg≤6×10-3。

c) UZ001C(XV-1102， XV-1103關閉，“1oo2”方式)其聯鎖動作用于切斷反應器和大氣，要求的回路安全等級是SIL3，閥門平均故障率要求PFDavg≤6×10-4。

上述的聯鎖要求表明： 當反應器的壓力、溫度、儀表空氣等參數到達聯鎖值時，其安全等級應該均滿足要求。

2) 閥門的安全功能。閥門安全功能由閥門的安全性能參數通過計算來決定，實際采購閥門的主要數據如下： 危險失效率λDU[1]： 4×10-7次/h,閥門檢查周期TI： 8000h。根據IEC 61508的要求，其計算后的平均失效概率： 當只有1個切斷閥門時PFDavg為1.6×10-3次/a；當采用2個切斷閥門串聯“1oo2”時PFDavg為3.4×10-6次/a。

通過上述計算結果看出，當只采用1個閥門聯鎖動作時，只能滿足SIL2的要求；對于SIL3的要求，必須采用2個閥門串聯“1oo2”動作方式來實現。

另外，根據IEC 61508的安全結構性要求，SIL2和 SIL3使用的閥門一般要求的安全裕度[1-2]至少為1，即在幾個閥門同時動作時至少有1個閥門的作用與其他閥門的作用功能相同。根據此要求，SIL2和SIL3使用的閥門也應采用“1oo2”的結構形式。

3) 閥門故障位置的確定。在安全評估[1-2]階段定量分析中，還必須考慮儀表空氣故障，此故障發生時，如果XV-1103采用FO，那么XV-1103將由于失氣而打開，與聯鎖發生時要求的動作相反；此時對于安全回路UZ001B和UZ001C來說，將只有XV-1101和XV-1102起到了聯鎖關閉的作用，導致整個安全回路的故障失效率和閥門安全裕度均無法滿足要求，即整個聯鎖回路的安全等級達不到要求，因而需將XV-1103采用FC為妥。采用FC后，其故障失效率和閥門安全裕度均滿足了所有要求。

反應器的本質安全是通過聯鎖發生時將XV-1101，XV-1102，V-1103全部關閉的方式來實現本質安全。

2.2通過物理手段進行保護

由圖1可知，在某些特殊情況下(如反應器周圍產生火源時)，需要將物料2及時加入反應器來終止反應，起到保護反應器的目的，此功能通過XV-1105來實現。XV-1105選用FO的閥門，即當閥門失去氣源動力時閥門將自動開啟。為了實現此功能，將XV-1105的儀表空氣氣源管線選用塑料管線，并且將塑料管線纏繞在反應器外壁和其他可能容易產生火源的地方，當產生火源時，儀表空氣氣源管線將融化而使得閥門XV-1105 失氣并打開，物料2能即刻進入反應器，實現了反應器本質安全的目的。

2.3等電位接地

電子設備接地方案是困擾各方多年的問題。在實際工程中經常遇到的有防雷接地、交流工作接地、屏蔽接地、防靜電接地、安全保護接地、直流工作接地(信號地、邏輯地)等。按其作用可分為保護性接地和功能性接地(工作接地)兩大類。在保護性接地和功能性接地分開設置的系統中，電子設備的獨立接地在實踐中的確有利于消除連續的低頻噪聲，但也曾經有過突然發生的大災害事件。分析這些事件得出，由于采用獨立的工作接地，在雷雨天氣條件下可能會有很高的電壓加在建筑物金屬構件和計算機等設備上，由于兩者接地系統不同會產生電位差導致計算機等設備的損壞。如果采用等電位接地[3-4]，電位差的問題便得到了解決。在采用等電位連接并共用接地系統后，各接地點不會形成電位差，同時可消除靜電和電場的干擾，不易受磁場干擾。

等電位接地已為國際標準采用，亦在國家標準中進行推廣。因此，在沒有特殊要求的情況下，接地系統應該優先考慮的是等電位接地方式。

2.4閥門開啟壓力的確定

石油化工裝置的控制一般是通過控制閥門來實現的，在閥門的選用過程中，除了閥門口徑、材質等主要參數的確定外，閥門的開啟壓力也應仔細斟酌，除了滿足工藝操作要求外，還應該從本質安全的角度進行考慮。

2.4.1操作要求

在煤化工裝置中，部分設備采用的是低壓進料、高壓出料的操作方式，因而用于連接壓力大幅波動設備的閥門選用十分關鍵，其參數的確定也一直困擾著各方。粉煤加料流程簡單示意如圖2所示。

圖2　粉煤加料流程示意

圖2中，V-1203是用于給下游進料的進料罐，V-1202是用于給V-1203加料的加料罐， V-1202是在常壓工況下從上游接料，而在給V-1203加料時是在高壓下進行的，用于連接V-1202和V-1203的閥門XV-1201稱為鎖斗閥。在該系統中，各設備及物料的設計壓力、操作壓力分別是： V-1202和V-1203的設計壓力為5.8MPa[5]；V-1202和V-1203的操作壓力為4.8MPa(G)[6]； XV-1201的打開條件是當2個罐之間的差壓為-70～+70kPa時允許打開[5]。

2.4.2閥門的選擇

常規的考慮方法是按照設計壓力、操作壓力或者閥門的允許打開差壓的絕對值(70kPa)的1.3～1.5倍進行開啟壓力的選型，各情況分析如下：

1) 當按照設計壓力或操作壓力值的1.3～1.5倍進行選型后，可以看到閥門開啟時的開啟扭矩明顯地加大了，這樣確實有利于閥門的開啟。但從安全方面來看，當V-1202和V-1203之間的差壓很大時是不允許打開XV-1201的，否則將會引起高、低壓系統之間的氣體互竄進而引發危險。實際情況出現過由于誤操作而將XV-1201打開的情況，只是因為裝置在試車情況而沒有出現嚴重后果。考慮到此嚴重性，將閥門的開啟壓力按設計壓力進行設計應該是偏高的。同時，這樣選型后將會導致執行機構的價格提高，執行機構的外形尺寸、質量加大等種種不利因素。

2) 如果按照閥門的允許打開差壓的絕對值(70kPa)的1.3～1.5倍進行選型，由于允許打開差壓的絕對值較小，在按照該值計算后得到的扭矩值仍然很小；且輸送的介質是粉煤，容易產生局部卡塞等情況，此時需要較大的閥門推力來推動閥門以保證物料的正常輸送。所以，如果僅從理論上分析并按照開啟壓力來確定閥門扭矩是不足的，在實際操作上也十分不利于閥門的長周期運行。

3) 合理選取閥門的開啟壓力，既能滿足在一定的條件下正常開啟，又能避免因為開啟扭矩過大而在高壓差工況下誤操作時可以打開閥門導致危險發生，結合實際的工藝操作過程并結合上、下游的設備壓力，同時需要考慮整個工藝系統的安全性，鎖斗閥的開啟壓力按1.0MPa計算是較為穩妥的，兼顧了操作和安全的要素。在實際工程中，考慮到計算的誤差，鎖斗閥的開啟壓力按1.0～2.0MPa計算均是可以接受的，并且該結果已經多次在工程中成功應用，實現了閥門的正常開啟和關閉。在高壓差情況下也有過開閥誤操作，但鎖斗閥沒有開啟進而避免了引起聯鎖性事故發生的成功案例。

3　結束語

從上述實例可以看到，本質安全的理念應該體現在石油化工裝置設計的全部過程中，本質安全應從多角度考慮，也可以用多種方法來實現；只有時刻以本質安全的理念來思考，才能做到石油化工裝置的安、穩、長、滿、優的運行，才能實現經濟價值和社會價值的統一和最大化!

[1]IEC. IEC 61508 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related System, Part 1-7[S]. 2.0th. Genvea： International Electrotechnical Commission, 2010.

[2]IEC. IEC 61511 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process Industry Section Part 1-3[S]. Genvea： International Electrotechnical Commission,2003.

[3]周偉，熊延，劉漢云，等.GB 500058—2014 爆炸危險環境電力裝置設計規范 [S].北京： 中國計劃出版社，2014.

[4]葉向東，惲春.SH/T 3081—2003 石油化工儀表接地設計規范[S].北京： 中國石化出版社，2004.

[5]梁輝.煤氣化工藝中粉煤鎖斗的控制系統設計[J].化學工程與裝備，2015(08)： 138-140.

[6]徐國壯，周紅軍，周廣林，等. Shell粉煤氣化裝置主要運行問題的分析[J].煤化工，2010(03)： 15-19.

[7]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京： 化學工業出版社，2000.

[8]田震.化工過程開發中本質安全化設計策略[J].中國安全科學學報，2006(12)： 4-8.

[9]樊曉華，吳宗之，宋占兵.化工過程的本質安全化設計策略初探[J].應用基礎與工程科學學報，2008(04)： 192-199.

[10]劉超明.石油化工裝置本質安全設計 [J].石油化工自動化,2010, 46(06)： 1-5.

[11]羅小青.淺談化工企業危險工藝自動化控制及安全聯鎖改造 [J].化工設計通訊,2010, 36(04) ： 49-51.

Analysis of Intrinsic Safety Design in Petrochemical Devices

Shi jianshe

(Sinopec Ningbo Engineering Co., Ltd., Ningbo, 315103,China)

Abstracts： Aiming at the safety of petrochemical plants, the requirements and the basic concepts of intrinsic safety, the risk assessment, and the principle of acceptable risk are introduced. Several design and realization methods of intrinsic safety in petrochemical plants are described. The safety function applied in process design and process control design, the physical protection adopted in design, the realization of grounding system, and the confirmation of key control valves opening pressure are essential to be considered in intrinsic safety .The intrinsic safety applied through the every stage of design to ensure the safety from very bottom is indicated.

intrinsic safety design; risk; safety instrumented function (SIF); safety integrity level(SIL); grounding; physical protection

施建設(1968—)，男，1990年畢業于華東化工學院生產過程自動化專業，現就職于中石化寧波工程有限公司電控室，任高級工程師。

TP273

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1007-7324(2016)04-0021-04

稿件收到日期： 2016-07-25。